裝配圖純電動汽車電控調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計,裝配,電動汽車,調(diào)速,系統(tǒng),設(shè)計 0 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目：純電動汽車電控調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 所在院系： 所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育 指導(dǎo)老師： 完成時間： 0 摘 要 本論文以純電動汽車直流無刷電機控制器為研究目的，詳細地敘述了基于 STC12C5404AD 型單片機控制的 PWM 調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。在論文中簡 單介紹了單片機 STC12C5404AD 的結(jié)構(gòu)以及 IGBT 功率驅(qū)動模塊的應(yīng)用；無刷 直流電機的霍爾信號與邏輯驅(qū)動信號的關(guān)系，利用此關(guān)系來控制電機的轉(zhuǎn)動和 方向；另外，本論文中對電機的一些保護功能如限流保護、欠壓保護、短路保 護都是利用模塊的自帶功能來實現(xiàn)的，而剎車斷電、智能巡航、自動定速、防 飛車、防盜等保護功能是利用程序來實現(xiàn)，這樣使電路簡單，成本降低。除此 之外，還設(shè)計了系統(tǒng)的軟件流程，包括主程序流程設(shè)計，調(diào)速子程序流程設(shè)計。 關(guān)鍵詞：純電動汽車；STC12C5404AD；IGBT 功率模塊；PWM 控制 0 The pure electric vehicles speed electronic control system design Abstract This article take developments the pure electric automobile concurrent not to brush the electrical machinery controller as the research goal, narrated in detail has controlled the pure electric automobile's PWM velocity modulation control system's design process based on the STC12C5404AD monolithic integrated circuit. The present paper introduced the monolithic integrated circuit STC12C5404AD structure as well as the IGBT power actuation module application in detail; Introduced not brushes direct current machine's Hall signal and logic driving signal relations, uses this relations to control electrical machinery's rotation and the direction; Moreover, in the present paper to electrical machinery's some protection function like current limiting protection, the under voltage protection, the short circuit protection is realizes using the module bringing function, but gets on the brakes the power failure, the intelligent cruise, the automatic constant speed, against speeding car, security and so on protection functions is realizes using the procedure, like this makes the electric circuit to be simple, cost reduction. In addition, but also has designed system's software flow, including master routine flow design, velocity modulation subroutine flow design. Key words: the pure electric automobile; STC12C5404AD; IGBT power module, PWM controls 0 目 錄 1 引言 ............................................................................................................................1 2 設(shè)計方案 .....................................................................................................................1 2.1 電機的選擇 ..........................................................................................................1 2.2 控制器的選擇 ......................................................................................................2 2.3 PWM 調(diào)制方式 ....................................................................................................2 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .............................................................................................................3 4 單片機外圍器件的設(shè)計 ............................................................................................4 4.1 電源電路 ..............................................................................................................4 4.2 單片機主控制電路 ..............................................................................................4 4.2.1 SoC 型單片機 STC12C5404AD ...................................................................5 4.2.2 ISP 電路 .........................................................................................................6 4.2.3 IGBT 驅(qū)動模塊 ..............................................................................................7 4.3 調(diào)速器輸入電路 ..................................................................................................7 4.4 控制模擬器 ..........................................................................................................8 4.5 換相邏輯接口 ......................................................................................................9 4.6 IGBT 驅(qū)動電路 ..................................................................................................10 4.7 無刷電機驅(qū)動電路 ............................................................................................11 4.8 防盜報警 ............................................................................................................12 4.9 保護電路 ............................................................................................................13 5 軟件設(shè)計與分析 .......................................................................................................13 5.1 主程序流程圖 ....................................................................................................13 5.2 PWM 頻率 ..........................................................................................................13 5.3 子程序流程圖 ....................................................................................................13 5.3.1 模擬控制鍵子程序 .....................................................................................15 5.3.2 正反轉(zhuǎn)子程序 .............................................................................................16 5.3.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 ..........................................................................................16 6 結(jié)束語 ......................................................................................................................17 謝辭 ..............................................................................................................................18 參考文獻 ......................................................................................................................19 附圖 1: 整體電路圖 ...................................................................................................20 程序清單 ......................................................................................................................21 0 1 引言 汽車雖給國民經(jīng)濟帶來了發(fā)展，給人類帶來了方便，但也給人類帶來了巨 大的災(zāi)害，42%的環(huán)境污染是來源于燃油汽車的排放，80%的城市噪聲是由交 通工具產(chǎn)生的；并且當(dāng)今世界石油儲量日趨減少，而燃油汽車是消耗石油的大 戶！因而當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展勢必尋求低噪聲、零排放、綜合利用能源的方向。 有鑒于此，本世紀六七十年代，電動汽車開始復(fù)蘇。人們利用現(xiàn)有的成熟技術(shù) 可以對蓄電池進行處理，以達到零污染排放的目的，因此被稱為綠色汽車。 目前,世界上許多國家在研究電動汽車上主要是解決電池問題和控制器的問 題，而我的論文主要是研究控制器的問題。在控制器的選擇上，有多種多樣， 從以前的模擬控制方式到模擬數(shù)字一體化的方式，可以說各有各的優(yōu)勢，各有 各的缺點。隨著科技的不斷進步，人們開始了在單片機上的研究，利用單片機 作為控制器來控制 PWM 的脈沖寬度以達到控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的。利用 單片機的控制器有很多優(yōu)點，一方面減少了元件的使用量且減少了故障的出現(xiàn) 率；另外保護功能的實現(xiàn)主要在程序，為產(chǎn)品的后期開發(fā)提供了方便。 因此，本文主要研究的是基于 STC12C5404AD 型單片機控制純電動汽車的 PWM 調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。在本論文中詳細介紹了單片機 STC12C5404AD 的結(jié)構(gòu)以及 IGBT 功率驅(qū)動模塊的應(yīng)用；介紹了無刷直流電機 的霍爾信號與邏輯驅(qū)動信號的關(guān)系，利用此關(guān)系來控制電機的轉(zhuǎn)動和方向；另 外，本論文中對電機的一些保護功能如限流保護、欠壓保護、短路保護都是利 用模塊的自帶功能來實現(xiàn)的，而剎車斷電、智能巡航、自動定速、防飛車、防 盜等保護功能是利用程序來實現(xiàn)，這樣使電路簡單，成本較低。除此之外，還 設(shè)計了系統(tǒng)的軟件流程，包括主程序流程設(shè)計和調(diào)速子程序流程設(shè)計。 2 設(shè)計方案 2.1 電機的選擇 方案（1）：采用直流有刷電機。直流有刷電機是電機工作時，線圈和換向 器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是靠隨電機轉(zhuǎn)動的換向器 和電刷來完成的；具有控制簡單，材料成本低的優(yōu)點，但是由于它是靠機械換 向，其電刷和換向器容易損壞，且其全程效率低、機械噪聲大、故障率高，壽 命短的缺點。 方案（2）：采用直流無刷電機。無刷電機是由控制器提供不同電流方向的 直流電來達到電機里面線圈電流方向的交替變化，采用方波自控式永磁同步電 機,以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料。因此在無刷 1 電機的轉(zhuǎn)子和定子之間沒有電刷和換向器。直流無刷電機具有高效率,高轉(zhuǎn)矩, 高精度的三高特點，同時具有體積小,重量輕的優(yōu)點,但是其具有控制技術(shù)高， 設(shè)備復(fù)雜，造價高等缺點。 經(jīng)過以上兩種方案的分析比較，考慮到電動汽車的行程效率、運行速度和 壽命問題，本論文中選擇采用方案（2）——直流無刷電機。 2.2 控制器的選擇 方案（1）：選用 PWM 專用集成芯片作為主控芯片。如 PWM 芯片 SG3525 具 有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的的噪聲等級，具有欠壓保護和外部封鎖功能，能 方便地實現(xiàn)過壓、過流保護，能輸出兩路波形一致、相位差為 180°的 PWM 信 號。 方案（2）：采用通用的 AT89S51 單片機作為控制器，單片機通過模擬的 PWM 口，經(jīng)處理后通過功率放大器驅(qū)動電機。 方案（3）：采用 SoC 型 STC 系列的宏晶單片機 STC12C5404AD 單片機作 為控制器。目前 SoC 型單片機已非常普遍，基于 51 內(nèi)核的 SoC 型芯片也有眾 多供應(yīng)廠商。它有四路 PWM 輸出和 8 路 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器。加速器送來的模 擬信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果作為 PWM 脈寬調(diào)制信號，通過改變某一頻 率 PWM 的脈沖寬度來改變驅(qū)動器輸出功率的大小從而控制電動汽車在一個檔 位的速度。 經(jīng)過討論和老師的指導(dǎo)，我們采用了方案（3）作為我的設(shè)計。采用方案 （1）能夠滿足基本要求，但是這種方案可控性不好、功能單一，每擴展一種功 能就要增加相應(yīng)的硬件電路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能滿足設(shè) 計基本要求，而且價格便宜，購買方便，但是現(xiàn)場編譯不太方便；而方案（3） 集中了前兩種方案中的優(yōu)點，還彌補了它們存在的缺陷；而且處理速度快，運 行穩(wěn)定可靠，符合電動汽車無刷電機控制嚴格要求。無刷電機控制控制復(fù)雜， 電機需要一定的邏輯輸出才能可靠運行。而這類單片機都有豐富的片上資源， 比較強大的處理能力，一般都不需要外擴其他器件就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。 片上系統(tǒng)的優(yōu)點在于減小了布線的麻煩，提高了系統(tǒng)的整體性能。宏晶單片機 STC12C5404AD 還可以通過普通的 MAX232 串口實現(xiàn)在線系統(tǒng)編譯的特點。 2.3 PWM 調(diào)制方式 對于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的空心杯無刷直流電動機，在一個周期內(nèi)，每個 功率開關(guān)器件導(dǎo)通 120 度電角度，每隔 60 度有兩個開關(guān)器件切換。因此， PWM 調(diào)制方式可以有以下五種：(1)on_pwm 型、 (2)pwm_on 型、(3)H_pwm- L_on 型、 (4)H_on-L_pwm 型和(5)H_pwm-L_pwm 型。 2 前四種方式又稱為半橋臂調(diào)制方式，即在任意一個 60 度區(qū)間，只有上橋臂 或下橋臂開關(guān)進行斬波調(diào)制。其中，方式(1)和(2) 為雙管調(diào)制方式，即在調(diào)制過 程中上橋臂和下橋臂的功率開關(guān)都參與斬波調(diào)制。方式(3)和(4)又稱為單管調(diào)制 方式，即在調(diào)制過程中只有上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)參與斬波調(diào)制。方式(5) 又稱為全橋調(diào)制方式，即在任意一個 60 度區(qū)間內(nèi)，上、下橋臂的功率開關(guān)同時 進行斬波調(diào)制。 在全橋調(diào)制方式中，功率開關(guān)的動態(tài)功耗是半橋調(diào)制方式中的兩倍。與半 橋調(diào)制方式相比，全橋調(diào)制方式降低了系統(tǒng)效率，給散熱帶來困難。因此，考 慮到功率開關(guān)的動態(tài)功耗，在 PWM 調(diào)制方式上應(yīng)選擇半橋調(diào)制方式。同時， 在半橋調(diào)制方式中，雙管調(diào)制方式不增加功率開關(guān)的動態(tài)損耗，并解決了由單 管調(diào)制所造成的功率開關(guān)散熱不均，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是實現(xiàn)起來較復(fù) 雜。因此，本設(shè)計采用較容易實現(xiàn)的 H_pwm-L_on 型調(diào)制方式，即在各自的 120 度導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋臂功率開關(guān)通過 PWM 調(diào)制，下橋臂開關(guān) 管恒通。 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)系統(tǒng)控制要求和以上方案論證，系統(tǒng)整體電路方框圖如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)整體硬件電路方框圖 圖 1 所示的單片機系統(tǒng)主控器就是現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的宏晶單片機 STC12C5404AD，它是整個系統(tǒng)的核心。主控器的根本任務(wù)是控制無刷電機的 轉(zhuǎn)速和方向，檢測各單元控制信號，安全可靠地完成相應(yīng)的控制功能。電源為 各電路提供工作的原動力，加速器輸出模擬電壓控制 PWM 脈沖的寬度，而這 個模擬電壓必需經(jīng)主控器 A/D 轉(zhuǎn)換通過已固化的內(nèi)部程序才能完成 PWM 脈寬 的調(diào)整。需要說明的是加速器只有在控制模擬器處于相應(yīng)的檔位才能調(diào)整 PWM 脈沖的寬度，控制模擬器就是該系統(tǒng)模擬的汽車檔位、離合器和剎車， 這是最基本的功能。主控器巡回檢測控制模擬器和加速器的動態(tài)，輸出相應(yīng)的 電源電路 STC12C5404AD單片機系統(tǒng)主控器 調(diào)速器 控制模擬器 防盜報警 IGBT 驅(qū)動保護 無刷電機驅(qū)動電路 換相接口 3 PWM 脈沖經(jīng) IGBT 驅(qū)動模塊放大后產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電壓，驅(qū)動由 IGBT 管組 合成的三相橋式開關(guān)電路，IGBT 驅(qū)動模塊時刻檢測三相橋式開關(guān)電路的運行狀 態(tài)，具有欠壓保護、短路保護、過壓保護功能。三相橋式開關(guān)電路既無刷電機 驅(qū)動電路，其在 PWM 脈沖的控制下按照無刷電機的控制邏輯導(dǎo)通、截止，因 是 IGBT 管組合成而成，可以在高頻大功率下工作，具有驅(qū)動較大功率的無刷 電機功能。在汽車停放期間防盜報警電路處于設(shè)防狀態(tài)，主要檢測振動信號為 主，且具有防寵物功能，檢測到報警信號就會切斷電路，是汽車無法運行。該 控制器還具有自動巡航、剎車保護、以及擴展功能，這些功能是通過軟件實現(xiàn) 的。 4 單片機外圍器件的設(shè)計 4.1 電源電路 電動汽車電源一般情況下用的是 288V 的蓄電池。因電動汽車電機功率較 大，采用高壓小電流是一種較好的辦法。本控制器需要三路電源，均由電瓶通 過接口 J3 提供： 一是單片機 STC12C5404AD 正常工作所需的+5V 電壓。該電源電路的輸 出電流應(yīng)該不低于 100mA。試驗證明，當(dāng)電流低于 100mA 時，外圍電路不能 正常工作，甚至導(dǎo)致單片機中程序的誤動作。 二是提供 IGBT 驅(qū)動模塊正常工作時所需要的+24V 工作電壓， 對主控器 輸出的 PWM 的矩形波進行足夠的放大。 三是電機的+288V 工作電壓。由于該電源電路的工作電流比較大（正常工 作電流為 10A 到 60A） ，故所有 288V 電壓經(jīng)過的電路都應(yīng)該具有較強的通電流 能力，否則會引起控制器的電路板因電流過大而被燒毀。 應(yīng)該注意，這里的 288V、24V 電壓和 5V 電壓并不是同通同斷的。其中 288V 電壓受到程序的控制，當(dāng)電機工作時 288V、24V 電壓受程序的控制加入 電路，斷電時電壓不加入電路。而 5V 電壓不受程序的控制，5V 電壓可以受 鑰匙的控制，也可以不受任何控制直接加入單片機。其原理圖如圖 2 所示。 C9 100uF C10 104 Vin1 Vout 3 GN D 2 7805 C11 100uF C12104 +288VCC 1 3 2 J3 JDG JDG +24V +5V 4 圖 2 電源電路原理圖 4.2 單片機主控制電路 由設(shè)計方案可以確定單片機主控制電路單片機選用 STC12C5404AD，現(xiàn)在 詳細介紹該單片機的特點和連接方式。 4.2.1 SoC 型單片機 STC12C5404AD STC12C5404AD 系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、 低功耗的單片機。元件使用方便，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 51 內(nèi)核的單片機。 STC12C5404AD 單片機 DIP 封裝，其單片機芯片的管腳分布圖如圖 3。 圖 3 STC12C5404AD 單片機 DIP 封裝管腳接口 功能引腳：P0.0-P0.3 P0 口 I/O 口； P1.0-P1.7 P1 口 I/O 口，第二功能 A/D 轉(zhuǎn)換； P2.0-P2.7 P2 口 I/O 口；P2.4、P2.0 有 PWM 輸出功能； P3.0-P3.7 P3 口 I/O 口；周圍還可有特殊功能引腳； RST 硬件復(fù)位引腳； XTAL1、XTAL2 時鐘引腳； VCC、GND 電源引腳。 STC12C5404AD 單片機的特點： RXD TXD XTAL2 XTAL1 RST P2.2 P2.3 VCC PWM5 PWM0 PWM1 PWM4 PWM3 PWM2 PROTECT P2.21 P2.32 RST3 P0.3 26 RXD/P3.04 P1.4/SS/ADC4 25 TXD/P3.15 P1.3/ADC3 24 P0.06 P0.2 23 XTAL27 P1.2/ADC2 22 XTAL18 P1.1/ADC1 21 P2.6 17 P1.0/ADC0 20 P2.7 18 P3.7/PW0 19 P3.2/INT09 P0.110 P3.3/INT111 P3.4/T0/ECI12 P3.5/T1/PA1/PW113 P2.4/PA3/PW314 P2.515 GND16 P1.5/MOSI/ADC5 27 P1.6/MISO/ADC6 28 P1.7/SCLK/ADC7 29 P2.0/PAC2/PW2 30 P2.1 31 VCC 32U1STC12C5410AD H1 H2 H3 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P0.3 P2.6 P2.5 P3.3 P3.4 JDQI 5 （1）增強型 6 時鐘（機器周期），12 時鐘周期（機器周期）8051CPU； （2）3.4-5.5V 工作電壓（5V 單片機）； （3）工作頻率范圍 0—35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0-400M； （4）用戶應(yīng)用程序空間 4K； （5）片上集成 512 字節(jié) RAM； （6）27 個通用 I/O 口，P1、P2、P3 、準(zhǔn)雙向口弱上拉，P0 口開漏輸出； （7）支持 ISP、IAP，無需專用編程器，可通過串口（P3.0，P3.1）直接下 載用戶程序； （8）EEPROM 功能支持； （9）硬件看門狗支持，可完全省去外部看門狗； （10）內(nèi)部集成專用復(fù)位電路 MAX810，外部晶振 12M 以下時可省去外部 復(fù)位電路； （11）6 個 16 位定時器\計數(shù)器； （12）外部中斷 9 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down 模式可 由外部中斷喚醒； （13）全雙工 UART 串行口，可用軟件模擬多個串行口； （14）A/D 轉(zhuǎn)換，10 位精度 ADC，共 8 路； （15）4 路 PWM 輸出。 STC12C5404AD 單片機的特殊功能寄存器在原有 51 內(nèi)核單片機的基礎(chǔ)上進行 了擴展，新增加了一些特殊功能寄存器，軟件程序設(shè)計可以查閱 STC12C5404AD 系列單片機的用戶手冊詳細資料，這里不在贅述。僅了解各管 腳的功能和使用的連接方式，以設(shè)計電路原理圖。 4.2.2 ISP 電路 ISP 稱系統(tǒng)在線編程，可以不用專門的編程器實現(xiàn)單片機的燒寫程序， PC 機標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口通過 MAX232 進行電平轉(zhuǎn)換后與單片機接口進行通訊， 因此只需要使用一根串口通信電纜（DB9）連接單片機的串口，J3 為系統(tǒng) DB9 串行接口。TXD、RXD 分別接圖 3 中的 TXD（P3.1 ） 、RXD（P3.0 ） ，這兩個端 口就可通過 PC 機的 COM 口直接燒寫到 STC12C5404AD 單片機中。如圖 4 所 示。 C1+1 C1-3 C2+4 C2-5 T1IN11 T2IN10 R1O12 R2O9 R2IN 8 R1IN 13 T2O 7 T1O 14 V- 6 V+ 2 VCC 16 GND 15 U2 MAX232 TXD RXD TX RX 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J3 RX TX C2 1uF/16V C3 1uF/16V C4 1uF/16V C5 1uF/16V VCC 6 圖 4 ISP 的連接電路示意圖 4.2.3 IGBT 驅(qū)動模塊 AST965 為 N 溝道 IGBT 柵極驅(qū)動模塊，輸入與輸出之間采用光電耦合 以提供所需的電氣隔離。模塊具有短路、欠壓和過壓保護功能，所需外圍元件 極少，對供電電源要求低，易于使用，適應(yīng)各種不同類型的 IGBT 驅(qū)動。其典 型應(yīng)用電路如圖 5 所示，各管腳功能如表 1 所示。 圖 5 電壓源－電阻驅(qū)動應(yīng)用電路 表 1 各管教功能表 序 號 名稱 描述 1 PDA 脈沖輸入正端 2 PDK 脈沖輸入負端 3 FQC 保護/ 故障輸出光電三極管“C ” 4 FQE 保護/故障輸出光電三極管“E” 5 VDD 模塊電源正端 6 VSS 模塊電源負端 7 ADJ 短路動作時間調(diào)整 8 VO 電壓源輸出端，與第 9 腳短接作電壓源輸出連到 IGBT 的 G 極 9 IO 電流源輸出端，直接連到 IGBT 的 G 極，并聯(lián)一只電阻接到 8 腳 10 EG 電位引腳連到 IGBT 的 E 極，IGBT 關(guān)斷在柵極上產(chǎn)生一個負電位 11 C 連到 IGBT 的 C 極，用于檢測 IGBT 飽和實現(xiàn)短路保護 7 4.3 調(diào)速器輸入電路 電動車的調(diào)速有兩類：光電類和霍爾類。由于光電類調(diào)速手把故障率較高， 現(xiàn)在基本上已經(jīng)被淘汰，我們這里主要介紹霍爾類調(diào)速手把。 霍爾調(diào)速，是利用霍爾效應(yīng)結(jié)合集成電路制作的，它有三條引線，一條接 +5V，一條速度信號輸出線，一條電源地。常見的霍爾調(diào)速把有兩種：一種是 輸出信號由低變高型，另一種是輸出信號由高變低型。所謂輸出信號由低變高 型是指，慢慢地旋轉(zhuǎn)霍爾調(diào)速把，信號線對地電壓由起始 1V 逐漸上升到 4V 左 右。而輸出信號由高變低型的相反，慢慢地旋轉(zhuǎn)霍爾調(diào)速把，信號線對地電壓 由起始 4V 逐漸上降到 1V 左右。這兩種可以相互改變，方法是打開調(diào)速器，將 每塊磁鐵極型顛倒后，用膠重新固定即可。 霍爾調(diào)速把內(nèi)部常使用三端線性霍爾器件 UGN3501T，在用 5V 供電時，靜 態(tài)電流小于 8mA，電壓稍高于 5V，電流就會大于 10mA。如果供電超過 6V， 霍爾器件的電流和溫度都會快速上升，此時霍爾器件容易損壞。 由于調(diào)速器是控制電機速度的首要部件，我們把單片機的 P1.3 口作為調(diào)速 轉(zhuǎn)把輸入的 ADC 口，所以必須保證單片機 P1.3 口檢測到的電壓與調(diào)速器輸出 電壓保持一致。在實際使用中，發(fā)現(xiàn)控制器在正常工作中會對調(diào)速器產(chǎn)生一定 的干擾（主要產(chǎn)生一些尖脈沖） ，對 PWM 電路產(chǎn)生了不良影響（測試中發(fā)現(xiàn)當(dāng) 霍爾元件的三個接口斷開以后，輸入電壓產(chǎn)生了一個幅度約 5V、頻率較高的尖 脈沖，而且此時電機的速度突然變?yōu)樽罡?。實際使用過程中當(dāng)三根連接線斷開 以后，應(yīng)該使電機的速度立刻為零） ，所以調(diào)速手把輸入電路我們?nèi)藶榈募尤肓?抗干擾元件，防止因為霍爾元件開路造成飛車事故的發(fā)生。 調(diào)速器輸入電路原理圖見圖 6，電路工作原理分析如下： 圖 6 中的 R18 和 C1 就是為抗干擾而加入的。R18 和 C1 的共同作用下對 上述中的尖脈沖進行很好的濾波，可抑制掉尖脈沖，起到抗干擾作用。同時 R18 接入電路以后當(dāng)相當(dāng)于單片機 P1.3 口加了一個下拉電阻，保證在 P1.3 口無 電壓時為零，即保證在輸入端的三個輸入線同時斷開（一般在不斷電更換轉(zhuǎn)把 時，會出現(xiàn)這種情況）時，程序采集到的輸入信號電壓為零。這種情況也是對 控制器的一種保護。 1 2 3 J2 ??? +5V R18 1M C1 10u P1.3 8 圖 6 調(diào)速器輸入電路 4.4 控制模擬器 為了能使本控制系統(tǒng)操作符合長期以來人們的駕車習(xí)慣，考慮到成本問題， 采用獨立開關(guān)模擬汽車檔位、離合器（li he）和剎車（sha che） 。系統(tǒng)上電以后 踩調(diào)速器油門和直接掛檔是不能使汽車行駛的，增加了汽車駕駛的安全性。下 面說一下整個操作過程： （1）只有踩下離合器，才能掛檔，松開離合器汽車才能行駛。 （2）每檔有一個最低速和最高速，是通過調(diào)速器調(diào)整 PWM 脈寬實現(xiàn)的。 （3）汽車行駛過程中，踩下離合器，汽車處于滑行狀態(tài)，可以節(jié)約能源。 （4）緊急剎車需踩下離合器和剎車。 （5）當(dāng)汽車勻速行駛 10 秒可自動實現(xiàn)巡航。 （6）設(shè)防和撤防保護汽車的安全性。 以上功能是通過軟件實現(xiàn)的，根據(jù)實際需求可以擴展其他功能。如圖 7 所示。 圖 7 控制模擬器 4.5 換相邏輯接口 此接口的功能把無刷電機的位置霍爾開關(guān)信號送到單片機的霍爾檢測口， 主控器 STC12C5404AD 根據(jù)霍爾狀態(tài)輸出相應(yīng)的 PWM 邏輯驅(qū)動脈沖。無刷電 ?? ?? ?? ?? R15 10k R16 10k R14 10k R17 10k VCC P1.4P0.3P1.5P1.6 R12 10k R13 10k ?? ?? P2.5P2.6 1 2 3 4 5 J1 ? ? +5V H1 H2 H3 9 圖 8 換相邏輯接口 機的霍耳元件有 5 根引線，圖 8 所示的 1—5 接口分別是霍耳元件的公共電源正 極、公共電源負極、A 相霍耳輸出、B 相霍耳輸出和 C 相霍耳輸出， H1、H 2、H 3 分別是 A 相、B 相、C 相霍爾輸出的檢測端口，無刷控制器（60°） 霍耳真值信號是：100、110、010、011、001、101，無刷電機采用兩相導(dǎo)通六 狀態(tài)控制方式，其正反轉(zhuǎn)霍爾值表如表 2 所示，換相邏輯接口如圖 8 所示。 表 2 霍爾信號與電機驅(qū)動邏輯真值表 霍爾信號 邏輯驅(qū)動信號方向 控制 H1 H2 H3 V1 V3 V5 V2 V4 V6 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4.6 IGBT 驅(qū)動電路 此模塊在本系統(tǒng)中共有六塊，+24V 供電，如圖 9，管腳功能已闡述過，導(dǎo) 通與關(guān)斷受主控制器輸出的 PWM 脈沖控制，下圖所示的六路 PWM0—PWM5 的 PWM0 驅(qū)動，其余 5 路類似。1-5V 的 PWM0 脈沖從 1 腳輸入經(jīng)內(nèi)部光電三 極管隔離放大、功率放大后從 8 腳輸出電壓 20V， 9 腳輸出電流。本電路采用 電壓輸出模式，控制一個 IGBT 管導(dǎo)通與截止，IGBT-AST965 內(nèi)置正負電壓發(fā) 10 生器以及電壓濾波器，驅(qū)動正向電壓穩(wěn)壓，輸入電壓波動時不影響驅(qū)動正向電 壓高低，內(nèi)置驅(qū)動欠壓保護電路；短路保護電路，短路保護時軟關(guān)斷 IGBT； VCE 檢測的快恢復(fù)二極管，耐壓達 2000V，內(nèi)置光電耦合器以傳輸驅(qū) 動保護／故障信號３腳輸出，主控器檢測到此信號關(guān)斷 PWM 輸出；內(nèi)置柵極 電壓箝位元件，動作速度在 20nS 以內(nèi)。P6CE16CA 為瞬態(tài)電壓抑制二極管， 兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達 10-12 秒）使其阻 抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預(yù)定的 20V，從而確保后面 IGBT 開關(guān)管免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。標(biāo)號 A 相上 橋 HA、HAC、HAE 別接 IGBT 的 G、C、E 實現(xiàn) PWM 脈沖的進一步驅(qū)動放大， 檢測 G、C、E 的狀態(tài)以實現(xiàn)驅(qū)動放大，下橋用 LA、LAC、LAE，B 相、C 相 類推見附圖。如圖 9 所示。 PDA1 PDK2 FQC3 FQE4 VDD5 VSS6 ADJ7 Vo8 Io9 EG10 C11 U3 IG BT -A ST 965 PWM0 +24V R2 220 P6CE16CA W1 PROTECT HA HAE HAC JDB 圖 9 IGBT 驅(qū)動電路 4.7 無刷電機驅(qū)動電路 經(jīng)過比較分析，對無刷電機采用全橋方式驅(qū)動，這樣可以提高繞組利用率， 如圖 10 所示，其通電方式有 2 中：二二導(dǎo)通和三三導(dǎo)通。圖示中 L1、L2 、L3 分別代表無刷電機的 A 相、B 相、C 相三相繞組，電機采用星形連接。 MGY40N60 是摩托諾拉生產(chǎn)的 IGBT 單管，受 PWM 脈沖控制，可通過 40-60A 的電流，反相承受電 Vces=600V，驅(qū)動橋采用由 24 塊 12V 的蓄電池供電為 288V?，F(xiàn)以三相二二導(dǎo)通方式說明電機驅(qū)動電路的工作原理： 星形聯(lián)結(jié)的二二導(dǎo)通方式是每次是兩個開關(guān)管導(dǎo)通。根據(jù)圖 10 所示的開關(guān) 管命名系，開關(guān)管的導(dǎo)通順序 V1V4、V 1V6 、V 3V6、V 3V2、V 5V2、V 5V4?？梢?11 共有六中導(dǎo)通狀態(tài)，每隔 60o 電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改一次狀態(tài)更換一 個開關(guān)管，每隔開關(guān)管導(dǎo)通 120o 電角度。當(dāng) V1V4 導(dǎo)通時，電流的線路為：電 源→V 1→A 相繞組→B 相繞組→V 4→地，其中 A 相和 B 相相當(dāng)于串聯(lián)，接下來 V4 關(guān)斷，V 6 導(dǎo)通，變?yōu)?A、C 兩相繞組導(dǎo)通。但 B 相繞組中的電流不能立刻 為零，通過 V3 內(nèi)部二極管續(xù)流，由于 V1 導(dǎo)通，續(xù)流回路不通過電源而直接閉 合，回路為 V1→A、B 兩相繞組→V 3 內(nèi)部二極管→V 1。其它導(dǎo)通狀態(tài)可類推得 到。 圖 10 無刷電機驅(qū)動電路 4.8 防盜報警 報警電路動作由主控器內(nèi)部程序設(shè)定，當(dāng)汽車停車后 10 秒鐘，系統(tǒng)自動進 入設(shè)防狀態(tài)，切斷+24V 供電的 IGBT 驅(qū)動模塊電源。當(dāng)汽車沒有被推動、吊動 等比較劇烈的震動后，車主進入車里打開電源開關(guān)，10 秒鐘后自動撤防。圖 11 中 X1 為振動感應(yīng)器，其中電阻 R20、R21 和三極管 VT3，VT4 夠成了放大電 路，當(dāng) X1 檢測到有人推電動車時，送給 VT3 一個觸發(fā)信號，VT3 觸發(fā)導(dǎo)通， 經(jīng)過電容 C13 耦合，送到 VT4 的基極，經(jīng)過放大后的信號送到單片機的 P3.3 接口，單片機程序檢測到 P3.3 口為高電平，防盜報警程序開始運行，同時在單 片 V3 MGY40N60 V4 MGY40N60 V5 MGY40N60 V6 MGY40N60 V1 MGY40N60 V2 MGY40N60 A B C L1L2L3 HA LA LB HB HC LC LAC HAC HAE +288 LAE LBE LCE LCCLBC HBC HCC HCEHBE A B C R24 5.1K R23 82K VT1 8050 VT2 8050 ???? X1????? VT3 8050 R20 1M R21 1M R22 1K C13 2.2uF D6 VT4 8550 +5VP3.4 P3.3 12 圖 11 防盜報警電路 機的 P3.4 口送出一個高電平，把 R23、R24 ，VT1 和 VT2 構(gòu)成的放大電路觸發(fā) 導(dǎo)通，驅(qū)動高分貝的報警喇叭開始報警，高分貝喇叭鳴叫 10 秒。 4.9 保護電路 當(dāng) IGBT 驅(qū)動模塊檢測到欠壓、過壓、短路信號后，模塊 3 腳迅速響應(yīng)， 送給主控器 STC12C5404AD 的 protect 端，這個 I/O 口此刻被單片機認為低電平， 內(nèi)部程序執(zhí)行 JDQI 為低電平，KM1 線圈通電，繼電器動作，關(guān)斷 IGBT 驅(qū)動 模塊電源，停止 PWM 輸出，同時故障指示 D5 燈亮，如圖 12 所示。 圖 12 保護電路 5 軟件設(shè)計與分析 軟件是整個控制系統(tǒng)的靈魂，其設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性與片內(nèi)資源的優(yōu)化分配 恰當(dāng)，會給程序的運行帶來較高的執(zhí)行效率，其功能完善則可以節(jié)約硬件電路 成本，根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，各功能子程序則要相互聯(lián)系而又獨立的完成相 應(yīng)功能。 5.1 主程序流程圖 主程序結(jié)構(gòu)是整個軟件的核心，是一個順序執(zhí)行的無限無限循環(huán)的程序， 運行過程必須構(gòu)成一個圈，主程序應(yīng)不停地順序查詢各種軟件標(biāo)志，并根據(jù)其 變化調(diào)用有關(guān)的子程序和相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，以完成對各種實時事件的處 Q2 8550 1 25 3 4 KM1 JDQI JD B JD K JD G Led D5 R2 4 1K D4 IN4007 +5 13 理。在主程序開始，完成系統(tǒng)初始化，包括：系統(tǒng)時鐘、I/O 口、ADC、定時 器、PCA、中斷和變量的初始化。等待系統(tǒng)上電后，檢測輸入模擬器各項功能 鍵，完成相應(yīng)功能。只有加速器有加速信號時，電機才會啟動，加速并使電機 運行在穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)方向與電機實際的旋轉(zhuǎn)方向相反時，需要先 讓電機制動，然后再反向起動。主程序流程圖如圖 13 所示。 5.2 PWM 頻率 為了使電機空載或輕載時電流連續(xù)，PWM 的頻率需要在 15KHz 以上，但 過高的 PWM 頻率會使 IGBT 管功耗增加，溫度升高，甚至導(dǎo)致 IGBT 管燒壞。 所以，本設(shè)計使 PCA 定時器工作在 16 位 PWM 模式，PCA 定時器采用 T0 定時 器溢出作為時鐘源，開始計數(shù)，直到 0 x0000 溢出。這樣， PWM 的頻率為 2.0417M /0 x0078=17KHz，剛好符合要求。由于 PCA 定時器不是從 0 x0000 開始 計數(shù)，所以每次溢出中斷后，必須在中斷服務(wù)程序中對 PCA 定時器重新賦初值， 這樣才能保證 PWM 的頻率維持在 17KHz。PWM 的占空比可以通過改變寄存 器 CCAPNH 的值來調(diào)節(jié)，從而達到調(diào)速的目的。 N Y N Y N 主程序初始化 執(zhí)行相應(yīng)功能 檢測控制模 擬器狀態(tài) 啟用 A/D 轉(zhuǎn)換 檢測加速 器狀態(tài) 啟動電機 檢測保護端口 采取保護措施 結(jié)束 14 N Y 圖 13 主程序流程圖 5.3 子程序流程圖 5.3.1 模擬控制鍵子程序 當(dāng)主控器上電后,程序依次掃描判斷離合、剎車、設(shè)防、保護端口，有相應(yīng) 按鍵閉合時就先調(diào)用延時去抖動，再次判斷以確定這個按鍵確實動作了，然后 執(zhí)行相應(yīng)功能子程序。只有當(dāng)離合鍵踩下去時才判斷正反轉(zhuǎn)功能鍵，若沒有動 作時返回判斷離合鍵狀態(tài)，若有動作就執(zhí)行相應(yīng)功能的子程序。流程圖如圖 14 所示。 15 停止 PWM 輸出 判斷剎車？ 判斷正轉(zhuǎn)？ 調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序 判斷反轉(zhuǎn)？ 調(diào)用反轉(zhuǎn)子程序 判斷離合鍵 閉合？ 調(diào)用延時 判斷離合鍵 閉合？ 判斷設(shè)防？ 判斷保護端口？ 執(zhí)行保護子程序 Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 Y用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 Y 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 N 用 正 轉(zhuǎn) 子 程 序 調(diào)用設(shè)防子程序 圖 14 模擬控制鍵的程序流程圖 5.3.2 正反轉(zhuǎn)子程序 當(dāng)正反轉(zhuǎn)有按鍵按下去時，就要調(diào)用正反轉(zhuǎn)子程序。首先判斷正反轉(zhuǎn)標(biāo)志 位，若為 0 則為反轉(zhuǎn)；若為 1 則為正轉(zhuǎn)。當(dāng)標(biāo)志位為 1 時，則要先調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn) 換，結(jié)果作為 PWM 脈沖寬度的調(diào)整基準(zhǔn)，然后根據(jù)霍耳狀態(tài)輸出相應(yīng)的 PWM 脈沖，返回。圖 15 是正反轉(zhuǎn)子程序的流程圖。 圖 15 正反轉(zhuǎn)子程序的流程圖 5.3.3 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 開啟 A/D 電源? ? ? ?D ?? ? 延 遲 設(shè) P1.3 為開/漏 啟用 A/D 轉(zhuǎn)換 獲取 A/D 結(jié)果 返 回 判斷標(biāo)志位 0，1？ 啟用 A/D 轉(zhuǎn)換 輸出反轉(zhuǎn) PWM 邏輯 判斷霍爾狀態(tài) 輸出正轉(zhuǎn) PWM 邏輯 返回 01 01 16 圖16 A/D 轉(zhuǎn)換子程序的流程圖 當(dāng)電機在運行的過程中時刻掃描著單片機上P1.3端口的值有沒有變化。若 有變化則會迅速響應(yīng)，獲取A/D結(jié)果作為PWM脈寬調(diào)節(jié)的依據(jù)。圖16是A/D轉(zhuǎn) 換子程序的流程圖。 6 結(jié)束語 本論文中控制器的基本工作原理就是電動汽車控制器接通電源以后，單片 機自動檢測模擬控制器，檢測到汽車掛擋以后，就檢測加速器霍爾送到單片機 P1.3口的電壓，將檢測到的模擬電壓經(jīng)主控器中的 A/D轉(zhuǎn)換通過已固化的內(nèi)部程 序來完成PWM脈寬的調(diào)整，此時就可以對電機進行控制了。但是由于電動汽車 的電機功率非常大，PWM脈寬必須進行放大才能驅(qū)動成功直流無刷電機，所以 在電路中我采用了六塊IGBT驅(qū)動模塊，采用的是H pwm-L on型的調(diào)制方式，即 上橋臂（上面的三塊IGBT驅(qū)動模塊）用PWM脈寬來控制，下橋臂用恒通管。 此模塊具有短路、欠壓和過壓保護功能，所需外圍元件極少，對供電電源要求 低，易于使用的優(yōu)點。如果模塊出現(xiàn)保護，就會有保護信號傳到單片機的保護 端口，主控器單片機STC12C5404AD就會迅速響應(yīng)，切斷驅(qū)動電源，有效保護 電機和汽車安全。 由于該電路中采用的STC12C5404AD單片機具有4路PWM和8路10位的A/D 轉(zhuǎn)換，且該設(shè)計中的一些擴展功能如防盜、自動巡航等功能是由程序來完成的， 因此同樣的程序只要改變其中的某些參數(shù)便可以把該系統(tǒng)應(yīng)用到其他不同要求 的場合，而且芯片里的程序是可以多次擦寫，具有較好的適應(yīng)性。從外圍電路 來看是簡單，控制電路的成本大為降低，而且耗電量非常小等優(yōu)點。 在這次設(shè)計中,我主要應(yīng)運了模擬和單片機方面的知識,在這里學(xué)到了很多解 決問題的方法和思路。在用 protel199SE 畫圖，我?guī)缀醵纪瞬畈欢嗔?，但是?過這次設(shè)計我不僅鞏固以前所學(xué)的繪圖技巧，并學(xué)會了更多的元件畫法。我這 次所用到的是宏晶單片機（STC12C5404AD） ，這是現(xiàn)在市面上比較流行的一種 單片機而且在以前也從沒有用過，因此在設(shè)計過程中我又一次增加了自己的知 識面。 通過本次設(shè)計無論在對專業(yè)知識的掌握和運用還是對工具的運用和資料 17 的收集和整理方面，對自己來說都有一個很大的提高，相信在以后的工作當(dāng)中 將受益無窮。 謝辭 轉(zhuǎn)眼間五年的時間就要過去了，這也意味著大學(xué)生活就要結(jié)束,我們要走 向社會了.回憶起這五年的點點滴滴,無論是在生活上還是在學(xué)習(xí)上。如果沒有 各位老師和同學(xué)的幫助，我想我是不會進步的。 本課題的選題是在陳老師的精心點撥和悉心指導(dǎo)下完成的。老師平日里工 作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從外出實習(xí)到查閱資料，設(shè)計草案的 確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。 在論文完成之際，我首先感謝母?！幽峡萍紝W(xué)院的辛勤培育之恩。其 次，感謝機電學(xué)院給我提供了很好的設(shè)計環(huán)境。河南科技學(xué)院的各位領(lǐng)導(dǎo)、老 師和同學(xué)對我的學(xué)習(xí)給予了很大的支持和幫助，使我在這里不僅體會到了學(xué)習(xí) 的樂趣，而且也感受到了集體給我的關(guān)懷，在此謹對他們表示衷心的感謝。論 文結(jié)束之際，感謝我的指導(dǎo)老師。他的專業(yè)知識豐富、才思敏捷、治學(xué)嚴謹， 而且認真負責(zé)，耐心講解問題，對我的畢業(yè)設(shè)計給予了很大的指導(dǎo)和幫助，使 我能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計，在此向他們表示衷心的感謝！同時還要感謝其他 教育過我的老師們，他們在這五年期間，也給了我很大的幫助。在此致以誠摯 的謝意和崇高的敬意。 最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答 辯的各位老師表示感謝 18 參考文獻 ［1］ 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2000 ［2］ 鄧漢馨,鄧家龍.模擬集成電子技術(shù)教程［M］.北京：高等教育出版社，1994 ［3］ 盛范成.基于 P87LPC764 單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換［J］.自動化儀表，2006 ［4］ 耿德根.AVR 嵌入式單片機原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2001 ［5］ 王培良.電動車控制器保護電路研究［J］.湖州師范學(xué)院報，2001 ［6］ 吳守箴,藏英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999 ［7］ 房小翠,王金鳳.單片機實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999 ［8］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.6 ［9］ 電動車用智能控制器的研制［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科版） ，2001 ［10］ 康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分［M］.北京：高等教育出版社，1999.6 ［11］ 王培東.單片機原理及應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.3 ［12］ 張相軍,陳伯時. 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